Cinquantamila.it La storia raccontata da Giorgio Dell'Arti

A ogni proteina un’acrobazia - Irisultati della fisica teorica nucleare e subnucleare - e i suoi metodi matematici - possono essere messi al servizio della biologia molecolare? Pietro Faccioli lavora al Laboratorio Interdisciplinare di Scienza Computazionale (LISC), un’unità di ricerca della Fondazione Bruno Kessler e dell’Università degli Studi di Trento, ed è convinto di sì. Assieme ad alcuni colleghi (Silvio a Beccara, Giovanni Garberoglio, Francesco Pederiva e Marcello Sega) e a Henri Orland dell’ Institut de Physique Théorique del Centre d’Etudes de Saclay ha pubblicato sulla prestigiosa rivista «Journal of Chemical Physics» un articolo che dimostra come si possano utilizzare efficacemente le idee e i metodi nati e sviluppatisi nell’ambito della fisica teorica nucleare e subnucleare allo studio del ripiegamento delle proteine globulari». Istruzioni di montaggio Per capire di che cosa si tratta occorre innanzitutto ricordare che tutti gli organismi viventi sono costituiti da numerosissime macromolecole: le proteine. Sono proteine sia i «mattoni» con cui sono fabbricati i nostri organi (come, per esempio, i muscoli, i tendini, i tessuti connettivi) sia molte delle sostanze che ne permettono il funzionamento (come gli enzimi digestivi, gli anticorpi, l’emoglobina del sangue). La maggior parte delle informazioni contenute nel DNA è rappresentata da istruzioni per l’assemblaggio delle proteine. Ogni proteina è una macromolecola costituita da una o più catene di atomi, le catene poli-peptidiche, frutto della polimerizzazione di sequenze di amminoacidi. Esistono 20 tipi di amminoacidi differenti e ogni proteina è caratterizzata dall’ordine con il quale questi si concatenano. Una volta assegnata la sequenza ordinata di amminoacidi che costituiscono una data catena peptidica, la sua natura è definita senza ambiguità. Le proteine globulari, di grande importanza per il funzionamento degli organismi viventi, si realizzano per ripiegamento dei lunghi filamenti ottenuti in seguito alla polimerizzazione sequenziale, un po’ come un gomitolo è il frutto del ripiegamento del filo che lo compone. Questo processo di ripiegamento fa assumere alle proteine la loro forma definitiva, fondamentale per lo svolgimento delle loro funzioni. In sintesi, dunque, si può osservare che il DNA contiene le informazioni sulla corretta sequenza di amminoacidi che definisce ogni data proteina e che quest’ultima, una volta sintetizzata, si ripiega su se stessa per assumere la configurazione globulare necessaria per lo svolgimento delle sue funzioni. In un tempo dell’ordine di alcune frazioni di secondo la proteina «sceglie», tra miliardi di possibilità, l’unica configurazione tridimensionale che le permette di svolgere correttamente i propri compiti biologici. La dinamica di questo processo è ancora in gran parte ignota. Se la proteina dovesse esplorare tutti gli innumerevoli modi in cui potrebbe ripiegarsi, troverebbe la configurazione ideale in un tempo assai maggiore di quello effettivamente impiegato. Si ritiene, quindi, che siano all’opera meccanismi decisamente più raffinati della semplice esplorazione di tutte le possibilità. Lotta all’Alzheimer Dal punto di vista computazionale, va detto che la soluzione «diretta» del problema, vale a dire la risoluzione delle complicate equazioni che governano il moto delle proteine in condizioni fisiologiche (anche usando i computer più potenti oggi disponibili), richiederebbe decine di anni di calcolo. Faccioli e i suoi collaboratori si sono accorti che alcuni dei metodi matematici usati nella teoria degli integrali di cammino, dovuta a Richard Feynman, si potevano adattare per descrivere proprio la dinamica del ripiegamento delle proteine. Gli scienziati del LISC sono quindi riusciti a formulare le equazioni del moto in modo tale che queste forniscano direttamente la traiettoria più probabile percorsa durante il processo di ripiegamento, una volta che siano noti lo stato iniziale (la catena non ripiegata) e lo stato finale (determinato sperimentalmente con tecniche che impiegano i raggi X). L’applicazione di questi metodi a problemi realistici ha richiesto un approccio multidisciplinare con lo sviluppo di programmi appositi che vengono eseguiti su calcolatori ad alte prestazioni (con centinaia di processori) per tempi dell’ordine di qualche giorno. La ricerca di Faccioli permette dunque di stabilire quale sia il cammino effettivamente seguito da una data catena poli-peptidica per ripiegarsi nella configurazione finale necessaria affinché la proteina possa svolgere effettivamente le sue funzioni biologiche. Applicazioni molto importanti di questo metodo possono riguardare lo studio delle ragioni per cui, in alcune malattie degenerative tra cui il morbo della mucca pazza e quello di Alzheimer, alcune catene poli-peptidiche si ripiegano in modo differente da quello corretto, con conseguenze gravissime per l’organismo.

MAURIZIO DAPOR